DE102008027261A1 - Process for improving the physico-chemical properties of biodegradable materials - Google Patents
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Abstract
Verfahren zur Verbesserung der physikalisch-chemischen Eigenschaften bioabbaubarer Werkstoffe gekennzeichnet dadurch, dass kristallisationsfähige Substanzen in biologische Rohstoffe eingebracht werden.Process for improving the physico-chemical properties of biodegradable materials characterized in that crystallizable substances are introduced into biological raw materials.
Description
Bioabbaubare Werkstoffe wie Folien, Komposite und Beschichtungen werden in vielfältiger Weise in der
- • Verpackungsindustrie (Bioplastiken in Form von Folien, Taschen, Beuteln und Behältern)
- • Lebensmittelindustrie (in Form von Schutzschichten auf oder zwischen Lebensmitteln zum Schutz gegen mechanische Einwirkungen, sensorische Veränderungen und Austrocknung, für eine kontrollierte Migration von Inhaltsstoffen und Additiven in das Lebensmittel, für eine Regulierung der Atmosphäre des Lebensmittelsystems sowie für dekorative Elemente)
- • Agrarwirtschaft (Gewächshausfolien, Mulchfolien, Ernteverfrühungsfolien, Tunnelabdeckungen und photoselektive Filme, z. B. zum Blocken von UV-Strahlung)
- • Medizin und pharmazeutischen Industrie (Kontrollierte Wirkstofffreisetzungssysteme, Verkapselung, „Tissue Engineering”, Implantate und Behandlung von Frakturen)
- • Spielwarenindustrie (Spielzeugwaren aus Bioplastiken)
- • Textilindustrie
- • Automobilindustrie (Interieur-Bioplastik)
- • Elektronikindustrie
- • packaging industry (bioplastics in the form of films, bags, bags and containers)
- • food industry (in the form of protective layers on or between foods for protection against mechanical effects, sensory changes and dehydration, for a controlled migration of ingredients and additives into the food, for regulation of the atmosphere of the food system and for decorative elements)
- • agriculture (greenhouse films, mulch films, early harvesting films, tunnel covers and photoselective films, eg for blocking UV radiation)
- • Medical and Pharmaceutical Industry (Controlled Drug Release Systems, Encapsulation, Tissue Engineering, Implants and Treatment of Fractures)
- • toy industry (toys made of bioplastics)
- • textile industry
- • automotive industry (interior bioplastics)
- • Electronics industry
Zu den bioabbaubaren Werkstoffen zählen vorrangig Proteine (z. B. Casein, Gelatine, Collagen, Weizen Gluten, Mais, Soja, Seide und Wolle), Polysaccharide (z. B. Stärke, Zellulose, Lignin und Chitin), Lipide (z. B. Pflanzenöle inklusive Kastoröl und tierischer Fette, durch Mikroorganismen oder Pflanzen erzeugte Polyester (z. B. Polyhydroxylalkanoat), synthetisierte Polyester von Monomeren biologischen Ursprungs (z. B. Polymilchsäure) sowie weitere ausgewählte Polymere (z. B. Kautschuk und Kompositen).To The biodegradable materials are given priority Proteins (eg casein, gelatin, collagen, wheat gluten, corn, Soy, silk and wool), polysaccharides (eg starch, cellulose, lignin and Chitin), lipids (eg vegetable oils including castor oil and animal fats produced by microorganisms or plants Polyester (eg polyhydroxyalkanoate), synthesized polyesters of monomers of biological origin (eg polylactic acid) as well as more selected Polymers (eg rubber and composites).
Bioabbaubare Werkstoffe, insbesondere auf Proteinen oder Polysacchariden basierende, weisen im Vergleich zu den aus konventionellen Polymeren hergestellten Stoffen deutlich verminderte mechanische Eigenschaften auf. Zudem besitzen auf Proteinen basierende Materialien eine hohe Wassersensitivität, die zu einer vergleichsweise schnellen Auflösung dieser Materialien bei Kontakt mit Flüssigkeiten führt. Vergleichsweise hohe Kosten für biologische Rohstoffe und deren Verarbeitung führen bisher zu einer unzureichenden Etablierung biologisch abbaubarer Produkte auf dem Markt. Zur Verbesserung der Akzeptanz bioabbaubarer Werkstoffe ist es erforderlich, ausgewählte Werkstoffeigenschaften zu verbessern und durch den Einbau kristalliner Substanzen zusätzliche Wirkungen zu generieren. Zu den beeinflussbaren mechanischen Eigenschaften zählen insbesondere Zugfestigkeit, Bruchdehnung und Elastizitätsmodul.biodegradable Materials, in particular proteins or polysaccharides based, have compared to those prepared from conventional polymers Substances significantly reduced mechanical properties. moreover For example, protein-based materials have a high water-sensitivity, too a comparatively fast resolution of these materials Contact with liquids leads. comparatively high costs for Organic raw materials and their processing have so far led to inadequate Establishment of biodegradable products on the market. For improvement The acceptance of biodegradable materials requires selected material properties to improve and by the incorporation of crystalline substances additional Generate effects. To the influenceable mechanical properties counting in particular tensile strength, elongation at break and modulus of elasticity.
Durch den Einsatz von kristallinen Substanzen können Düngemittel in bioabbaubare Folien eingearbeitet werden, die bei einer Folienzersetzung auf dem Feld freigesetzt werden und eine konventionelle Düngung überflüssig machen.By The use of crystalline substances can make fertilizers into biodegradable films be incorporated in the case of a film decomposition in the field be released and make a conventional fertilization superfluous.
Des Weiteren ist es möglich, im medizinisch-therapeutischen Bereich durch den Einbau von Calciumphosphat (CaP-Verbindungen) in nicht-giftige, physiologisch unbedenkliche und im menschlichen Körper abbaubare Biowerkstoffe den Heilungsprozess von Knochenfrakturen zu beschleunigen, indem die betroffenen Knochen mit Proteinfolien umwickelt werden, aus denen das enthaltene Calciumphosphat an die betroffenen Stellen abgegeben wird und somit den Heilungsprozess aktiv unterstützt. Durch die Abbaubarkeit ist kein zusätzlicher chirurgischer Eingriff zur Entfernung der Folien notwendig.Of Furthermore, it is possible in the medical therapeutic field by the incorporation of calcium phosphate (CaP compounds) in non-toxic, physiologically harmless and in the human body degradable biomaterials the healing process of bone fractures to speed up the affected bones with protein sheets be wrapped, from which the contained calcium phosphate to the and thus the healing process actively supported. By the degradability is not additional surgical intervention is necessary to remove the slides.
Bekannt sind Verfahren, die durch chemische oder enzymatische Quervernetzung bestimmter Bestandteile die physikalisch-chemischen Eigenschaften von Folien und Beschichtungen gezielt verändern. Des Weiteren wurde untersucht, durch Verbundstoffe und Gemische (sog. Kompositen und Blends) Einfluss auf die Folieneigenschaften zu nehmen. Bekannt sind gleichfalls Verfahren, in denen durch den Zusatz hydrophober Substanzen, z. B. durch Fette, Öle und Wachse die Barriereeigenschaften und die Flüssigkeitsresistenzen verbessert wurden. Weiterhin wurde versucht mit einer gezielten Ultraschallbehandlung der Proteinlösung die Eigenschaften bioabbaubarer Folien zu verbessern.Known are processes by chemical or enzymatic cross-linking certain constituents the physicochemical properties of films and coatings. Furthermore, it was investigated through composites and mixtures (so-called composites and blends) to take on the film properties. Are also known Process in which by the addition of hydrophobic substances, eg. B. by fats, oils and waxes improves the barrier properties and fluid resistance were. Furthermore, an attempt was made with a targeted ultrasound treatment the protein solution to improve the properties of biodegradable films.
Diese Verfahren basieren auf einer chemischen Vernetzung von Komponenten, bei der häufig umweltgefährdende Stoffe (z. B. Formaldehyd) zum Einsatz kommen. Die so hergestellten Folien entsprechen nicht umweltverträglichen Standards und unterliegen damit einem deutlich eingeschränkten Anwendungsgebiet. Eine durch Enzyme katalysierte Proteinquervernetzung ist ein weiteres, erfolgreich getestetes Verfahren um die mechanischen Folieneigenschaften zu verbessern und die Wassersensitivität zu reduzieren. Dieses erfordert jedoch definierte Reaktionsbedingungen (enger Temperaturbereich, pH-Wert) und einen vergleichsweise hohen Aufwand bei der Folienproduktion. Zudem sind die hohen Kosten von industriellen Enzymen ein weiterer Nachteil.These Methods are based on chemical crosslinking of components, in the often environmentally hazardous Substances (eg formaldehyde) are used. The so produced Slides do not conform to environmentally sound standards and are subject to thus a clearly limited field of application. An enzyme-catalyzed protein cross-linking is another, successfully tested method for the mechanical film properties to improve and reduce the water sensitivity. This requires however, defined reaction conditions (narrow temperature range, pH value) and a relatively high effort in the film production. In addition, the high cost of industrial enzymes is another Disadvantage.
Die Zusätze von hydrophoben Substanzen zur Veränderung der Barriereeigenschaften haben nur einen geringfügigen Einfluss auf die mechanischen Kennwerte und sind deshalb allein nicht ausreichend, um die bioabbaubaren Materialien wünschenswert zu verbessern. Eine Ultraschallbehandlung ist großtechnisch nur mit hohem Aufwand zu realisieren und setzt eine ausreichend viskose Lösung voraus.The addition of hydrophobic substances to change the barrier properties have only a minor effect on the mechanical properties and are therefore not sufficient alone to improve the biodegradable materials desirable. An ultrasound treatment is industrially only with great effort too realize and requires a sufficiently viscous solution.
Es bestand die Aufgabe, ein Verfahren zu entwickeln, welches zum einen die mechanischen Eigenschaften (Zugfestigkeit, Bruchdehnung und Elastizität) sowie physikalisch-chemische Eigenschaften wie Permeabilitäten bzw. Barriereeigenschaften gegenüber Flüssigkeiten und Gasen (z. B. Wasser, Wasserdampf, Sauerstoff, Aroma, Öl, etc.), Löslichkeit und Sensibilität gegenüber äußeren Einwirkungen (z. B. Flüssigkeiten) und die thermische Charakteristik (z. B. Glasübergangstemperatur) des bioabbaubaren Werkstoffes gezielt zu beeinflussen.It The task was to develop a method which, on the one hand the mechanical properties (tensile strength, elongation at break and Elasticity) as well as physico-chemical properties such as permeabilities or Barrier properties liquids and gases (eg water, water vapor, oxygen, aroma, oil, etc.), solubility and sensitivity against external influences (eg liquids) and the thermal characteristic (eg glass transition temperature) of the biodegradable Material targeted to influence.
Erfindungsgemäß werden die physikalischen und chemischen Eigenschaften gezielt durch den Einsatz kristalliner Substanzen verbessert. Dazu werden ausgewählte Substanzen, z. B. Kaliumsnitrat, Harnstoff oder Zitronensäure, innerhalb der Folien kristallisiert. Durch die Kontrolle von Prozessparametern (Temperatur und Konzentration) werden Größe, Form, Verteilung von Kristallen innerhalb der Folien eingestellt. Dies ermöglicht die zielgerichtete Beeinflussung der Folieneigenschaften. Vorteilhaft ist, dass das Verfahren mit einem vergleichsweise geringen Aufwand und Kosten zu realisieren ist, da die bekannten Prozesse zur Herstellung von bioabbaubaren Materialien beibehalten werden können. Ein weiterer Vorteil ist der sehr flexible Einsatz des Verfahrens, da eine Anwendung sowohl in der Gießfolienproduktion als auch bei der Herstellung mittels Extrusion ohne besonderen Aufwand realisierbar ist. Ein besonderer Vorteil besteht darin, dass keine Zusatzinvestition in Anlagen und Prozesse erforderlich ist und zum anderen, dass die Kosten für kristallisierende Substanzen vergleichsweise gering sind.According to the invention the physical and chemical properties targeted by the use improved crystalline substances. For this purpose, selected substances, z. As potassium nitrate, urea or citric acid, crystallized within the films. By controlling process parameters (temperature and concentration) become size, shape, Distribution of crystals set within the slides. This allows the targeted influencing of the film properties. Advantageous is that the procedure with a comparatively low effort and to realize costs, since the known processes of manufacture of biodegradable materials. One Another advantage is the very flexible use of the method, since an application in both cast film production and in the production by extrusion without special effort feasible is. A particular advantage is that no additional investment in plants and processes is required and, secondly, that the costs for crystallizing substances are comparatively low.
Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich durch eine einfache Integration in bestehende Anlagen und Prozesse, die Vielfalt an möglichen Substanzen, geringe Investitions- und Betriebskosten, vielfach veränderbare Parameter zur gezielten Steuerung der Produkteigenschaften sowie vielfache Vermarktungsmöglichkeiten des Endproduktes aus.The inventive method is characterized by easy integration into existing systems and processes, the variety of possible substances, low investment and operating costs, often changeable Parameters for targeted control of product properties as well multiple marketing opportunities of the final product.
Nachfolgend wird das erfindungsgemäße Verfahren an einem Ausführungsbeispiel näher beschrieben.following becomes the method according to the invention on an embodiment described in more detail.
Ausführungsbeispielembodiment
Bioabbaubare
Werkstoffe werden mittels Herstellung von Proteinfilmen und Kompositen
erzeugt. Die einzelnen Verfahrensschritte sind als Prozessschema
in
Die enzymfreie Herstellungsvariante von Folien und Kompositen erlaubt eine Weiterverarbeitung der Proteinlösung in einem deutlich breiteren Temperaturbereich zwischen 30 und 100°C. In diesen Fall entfällt der Verfahrensschritt 3a, die Abkühlung der Lösung auf 45–55°C.The Enzyme-free production variant of films and composites allowed a further processing of the protein solution in a much wider Temperature range between 30 and 100 ° C. In this case, the omitted Process step 3a, the cooling the solution to 45-55 ° C.
Bei Einsatz MTG sind zusätzliche Verfahrensschritte zu berücksichtigen. Dazu zählt Verfahrensschritt 3a, die Einstellung der Temperatur auf 45–55°C mittels Thermostat oder alternativ durch eine Heizplatte oder ein Wasserbad. Nach erfolgter Temperierung wird der pH-Wert der Proteinlösung auf Werte zwischen pH 6–8 eingestellt. Das Enzym MTG wird anschließend in fester oder vorgelöster Form in die Proteinlösung gegeben und durch Rühren oder Schütteln mit der Proteinlösung homogenisiert.at Use MTG are additional Procedural steps to consider. Also includes Process step 3a, the setting of the temperature to 45-55 ° C means Thermostat or alternatively by a hot plate or a water bath. After tempering, the pH of the protein solution on Values between pH 6-8 set. The enzyme MTG is then in solid or predissolved form into the protein solution given and by stirring or shaking with the protein solution homogenized.
Die weiteren Prozessschritte sind identisch für die Herstellung von Folien und Kompositen sowohl mit als auch ohne eine durch MTG katalysierte enzymatische Quervernetzung des Materials.The Further process steps are identical for the production of films and composites both with and without an MTG catalyzed enzymatic Cross-linking of the material.
Nach vollständiger Homogenisierung der Lösung mittels Magnetrührer oder eingeführtem Stabrührsystem erfolgt die Entgasung mithilfe einer Zentrifuge oder alternativ durch Anlegen eines Vakuums oder in Form einer Ultraschallbehandlung, um Lufteinschlüsse im Endprodukt zu vermeiden.To complete Homogenization of the solution by means of magnetic stirrer or imported Stabrührsystem the degassing is done by means of a centrifuge or alternatively by applying a vacuum or in the form of an ultrasonic treatment, around air pockets to avoid in the final product.
Dann wird die Lösung in einen PTFE-Rahmen oder eine PTFE-Folie gegossen oder gesprüht und für 12–48 Stunden bei Raumtemperatur getrocknet. Nach dieser Zeit erfolgt die Entnahme der Folie, die anschließend mithilfe eines Exsikkators bei 50% rLF und bei Raumtemperatur für 24–48 Stunden inkubiert wird.Then becomes the solution poured or sprayed into a PTFE frame or PTFE film and for 12-48 hours dried at room temperature. After this time, the removal takes place the slide, which subsequently using a desiccator at 50% rLF and at room temperature for 24-48 hours is incubated.
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